利用SRV試驗(yàn)機(jī)研究溫度對潤滑劑摩擦學(xué)性能的影響

雷愛蓮，李小剛，金志良，翟國容，魏斌斌，金理力，李 濤

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國石油昆侖潤滑檢測評定中心)

SRV高頻線性振動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)已成為國際摩擦學(xué)界重要的試驗(yàn)分析儀器,廣泛應(yīng)用于摩擦學(xué)基礎(chǔ)研究、潤滑劑及潤滑材料的開發(fā)、機(jī)械材料的評定等方面。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度較高,試驗(yàn)費(fèi)用低,周期短,已經(jīng)成為機(jī)械摩擦磨損研究的重要輔助工具,對研究潤滑劑、新型潤滑材料摩擦特性和新型潤滑產(chǎn)品的基礎(chǔ)性開發(fā)研究具有較大價(jià)值。

為滿足更加嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保排放法規(guī)要求,燃油直噴、渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的使用,以及航空渦輪燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)使用溫度的提升,加之工業(yè)設(shè)備向高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷方向發(fā)展,潤滑油的使用溫度逐步提升。在較高使用溫度下,潤滑油油膜在高溫、高速、高負(fù)荷等苛刻條件下會(huì)破裂而造成設(shè)備摩擦副出現(xiàn)擦傷失效[1]。另外,提高燃料經(jīng)濟(jì)性是汽油機(jī)油升級換代的動(dòng)力之一,這一點(diǎn)已充分反映在ILSAC汽油機(jī)油規(guī)格中[2]。近幾年,原始設(shè)備制造商(OEM)對柴油機(jī)油的節(jié)能性也提出了要求,在柴油機(jī)油中也開始使用減摩劑,航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)油需要更高的使用溫度。因此,內(nèi)燃機(jī)油不僅需要較好的減摩抗磨效果,而且還要具有較好的熱穩(wěn)定性,在較高的使用溫度下,潤滑油及添加劑能夠保持良好的減摩抗磨性能,具有穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和較高的抗高溫擦傷性能,以避免在苛刻的極限工況下使用時(shí)由于溫度過高導(dǎo)致油膜破裂而使摩擦副出現(xiàn)擦傷。

基于此,開發(fā)了一種測定潤滑劑抗擦傷失效溫度的試驗(yàn)方法。現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)方法,如FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)[3]、四球機(jī)[4]、梯姆肯[5]等方法均可以用于評價(jià)潤滑劑隨負(fù)荷增加時(shí)的抗擦傷性能。本方法是摩擦學(xué)領(lǐng)域性能評價(jià)的一個(gè)新發(fā)展,主要用于評價(jià)潤滑劑隨溫度梯度增加時(shí)的抗擦傷性能,試驗(yàn)溫度高達(dá)300 ℃,為在邊界潤滑狀態(tài)下潤滑劑摩擦因數(shù)隨溫度變化的情況以及抗擦傷失效的溫度測定提供相應(yīng)的測試方法,對于評價(jià)潤滑劑溫度對摩擦學(xué)性能的影響具有重要意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 方法概要

本方法采用SRVⅣ及Ⅴ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)柱在固定的試驗(yàn)盤上,在有潤滑劑的情況下進(jìn)行線性往復(fù)運(yùn)動(dòng),往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向與試驗(yàn)柱軸線的方向垂直,在規(guī)定條件下逐級升溫,直至發(fā)生咬合或完成規(guī)定的試驗(yàn)程序,通過試驗(yàn)過程中的摩擦因數(shù)變化趨勢判斷發(fā)生咬合的最低溫度,此溫度為油品的抗擦傷失效溫度,并記錄試驗(yàn)過程中的摩擦因數(shù)波動(dòng)情況,有條件的實(shí)驗(yàn)室還可以進(jìn)一步測量試驗(yàn)件的磨損情況,對摩擦過程中的典型情況可以進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)理研究。

1.2 試驗(yàn)件和試驗(yàn)條件

1.2.1試驗(yàn)件的確定

本方法基于內(nèi)燃機(jī)油及相關(guān)的添加劑的摩擦學(xué)性能研究而建立,也可以評價(jià)其他在高溫工況下使用的油品摩擦學(xué)性能,目前僅提供了1個(gè)測試油品摩擦學(xué)性能隨溫度升高的變化情況的基礎(chǔ)測試方法,其測定結(jié)果與相應(yīng)實(shí)際使用性能之間的對應(yīng)性需要通過方法的應(yīng)用逐步建立。

在發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的摩擦損失中,活塞組件造成的摩擦損失所占比例最大,接近50%。 因此,有必要考察內(nèi)燃機(jī)油在缸套-活塞環(huán)模擬工況下的摩擦磨損性能。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦副的工作原理,結(jié)合SRV試驗(yàn)機(jī)測試腔內(nèi)工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)、空間尺寸和試件夾具形狀等特點(diǎn),以及試驗(yàn)件的可標(biāo)準(zhǔn)化性,經(jīng)過研究選擇了柱-盤線接觸。試驗(yàn)柱采用鋼材質(zhì),試驗(yàn)盤采用灰鑄鐵,材質(zhì)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的通用材質(zhì),其試件結(jié)構(gòu)和安裝示意見圖1,其技術(shù)參數(shù)見表1,典型灰鑄鐵試驗(yàn)盤的主要組成及硬度見表2。

表1 試件參數(shù)

表2 灰鑄鐵盤的元素含量及硬度 w,%

圖1 試件結(jié)構(gòu)和安裝示意

1.2.2試驗(yàn)條件的確定

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-活塞環(huán)之間的平均接觸壓力為268 MPa、最大接觸壓力為341 MPa,對應(yīng)到SRV柱-盤初始赫茲接觸壓力,計(jì)算得到的試驗(yàn)負(fù)荷為400～600 N,確定試驗(yàn)負(fù)荷為500 N。

內(nèi)燃機(jī)油的工作溫度與其發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及其使用工況相關(guān),一般發(fā)動(dòng)機(jī)主油道的機(jī)油溫度在典型工況下一般為120 ℃,評價(jià)高檔內(nèi)燃機(jī)油高溫氧化性能的程序ⅢG臺(tái)架機(jī)濾處的機(jī)油溫度為150 ℃,渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)油工作溫度更高,未來有300 ℃以上需求的可能性,甚至可能達(dá)到350 ℃,發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-活塞環(huán)區(qū)域的機(jī)油溫度相較其他摩擦副更高一些。在40～300 ℃溫度范圍內(nèi),測定油品的摩擦因數(shù)隨溫度變化的情況,如果有具備SRV試驗(yàn)設(shè)備、工作溫度高于300 ℃的實(shí)驗(yàn)室,在300 ℃尚未失效的樣品可以按照第4階段的試驗(yàn)周期及每10 ℃溫度梯度繼續(xù)試驗(yàn),直至摩擦因數(shù)急劇上升發(fā)生突變導(dǎo)致油膜破裂而失效;也可以根據(jù)實(shí)際需求選擇在較低的溫度結(jié)束試驗(yàn),通過摩擦因數(shù)隨溫度升高的變化趨勢分析判斷油品的摩擦磨損性能。

結(jié)合SRV試驗(yàn)設(shè)備的功能參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)室的考察結(jié)果,試驗(yàn)沖程選擇2 mm比較適合,最后確定試驗(yàn)沖程為2 mm。

根據(jù)汽車廠家提供的信息得知,發(fā)動(dòng)機(jī)速率范圍一般為2 000～3 000 r/min,結(jié)合SRV設(shè)備可控的參數(shù),確定往復(fù)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)頻率為50 Hz。

實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的優(yōu)勢在于試驗(yàn)周期短,簡單快捷,經(jīng)過優(yōu)化油品的區(qū)分能力以及試驗(yàn)條件的可重復(fù)性,確定在40～300 ℃溫度范圍內(nèi),每增加10 ℃,試驗(yàn)運(yùn)行7～15 min,優(yōu)化后最終的試驗(yàn)條件見表3。

表3 抗擦傷失效溫度試驗(yàn)條件

2 典型樣品的評定結(jié)果

根據(jù)確定的摩擦副和試驗(yàn)條件,選取4個(gè)代表性油品進(jìn)行了測定,油品性能見表4,試驗(yàn)過程中的摩擦因數(shù)見圖2。

表4 4個(gè)代表性油品的性能

圖2 油品的摩擦因數(shù)曲線

圖2的結(jié)果表明,所建試驗(yàn)方法對不同油品具有良好的區(qū)分性。樣品1在270 ℃時(shí)摩擦因數(shù)急劇上升而失效,樣品2在250 ℃時(shí)摩擦因數(shù)急劇上升而失效,樣品3在150 ℃時(shí)摩擦因數(shù)急劇上升而失效,樣品4在300 ℃時(shí)摩擦因數(shù)尚未增加,油品未失效。

3 典型樣品的摩擦學(xué)機(jī)理探討

通過建立的試驗(yàn)方法,探討了溫度對油品及添加劑摩擦因數(shù)影響的機(jī)理,這些機(jī)理可以指導(dǎo)和幫助潤滑油及添加劑研發(fā)人員掌握其熱氧化穩(wěn)定性,開展進(jìn)一步的研究工作。對試驗(yàn)盤上的磨痕區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡和能譜(EDS)分析。樣品的摩擦因數(shù)曲線見圖3,試驗(yàn)盤磨痕表面掃描電鏡照片見圖4及圖5,2個(gè)典型溫度下對應(yīng)的試驗(yàn)盤上磨痕區(qū)域能譜分析結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)盤摩擦表面的能譜分析結(jié)果 w,%

圖3 典型汽油機(jī)油樣品的摩擦因數(shù)曲線

圖4 試驗(yàn)盤摩擦表面掃描電鏡照片(×103)

圖5 試驗(yàn)盤摩擦表面掃描電鏡照片(×104)

由圖3可知:該樣品在40～190 ℃之間有較低的摩擦因數(shù),為0.045～0.06;溫度增加到200 ℃,摩擦因數(shù)增加到0.15～0.17,一直保持到260 ℃;在270 ℃時(shí)摩擦因數(shù)急劇上升而導(dǎo)致設(shè)備自動(dòng)停機(jī),說明油膜破裂導(dǎo)致潤滑失效。因此,判斷該樣品的抗擦傷失效溫度為270 ℃。根據(jù)摩擦因數(shù)隨溫度變化趨勢推測該樣品應(yīng)該加有減摩劑,使得40～190 ℃之間有較低的摩擦因數(shù),而200 ℃時(shí)減摩劑失效,失去減摩作用,但油品仍然具有潤滑效果,但270 ℃時(shí)油品失去潤滑能力,導(dǎo)致摩擦因數(shù)急劇增加,發(fā)生摩擦副的直接接觸。

由圖4、圖5可知:在150 ℃下摩擦副表面有明顯的化學(xué)反應(yīng)膜,摩擦系數(shù)較低;在270 ℃下磨痕較明顯。表5為磨損軌跡表層中的元素分析結(jié)果。由表5可知,樣品中含有Mo基添加劑,Mo鹽是一種減摩劑,二烷基二硫代氨基甲酸鉬是一種減摩效果很好的減摩劑,但氧化安定性比較差[6]。由于形成具有減摩性能的反應(yīng)膜,樣品在40～190 ℃有較低的摩擦因數(shù)。然而,摩擦因數(shù)在200 ℃時(shí)升高,并在270 ℃之前保持在0.15～0.17的水平。在270 ℃時(shí),樣品的摩擦因數(shù)開始急劇增加,導(dǎo)致設(shè)備自動(dòng)停機(jī),說明發(fā)生了摩擦副的直接接觸,油品完全失去了潤滑性能。因此,該樣品的抗擦傷失效溫度判斷為270 ℃,但減摩劑在200 ℃就已經(jīng)失效。

4 結(jié) 論

利用SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),自行研究建立的測定潤滑劑抗擦傷失效溫度的的試驗(yàn)方法具有良好的區(qū)分性,能夠評價(jià)不同油品摩擦學(xué)性能隨溫度變化的情況,能夠?yàn)闈櫥瑒┭邪l(fā)人員提供一種新的測試方法,對高溫條件下潤滑油及添加劑摩擦學(xué)性能研究具有實(shí)用意義,可用于研究溫度對油品及添加劑摩擦學(xué)性能的影響,為高性能熱穩(wěn)定性添加劑的研究提供指導(dǎo)。